Круглая паутина средних размеров имеет более тысячи точечных соединений, а для её изготовления требуется более двадцати метров паутинного шёлка, что делает конструкцию не только очень легкой, но и невероятно прочной. В спидроине наблюдается высокое содержание остатков аланина и глицина, эти аминокислотные остатки являются причиной исключительной механической прочности волокон паутины. © Shutterstock Паутина — уникальный биоматериал, который появился в ходе эволюции более 200 миллионов лет назад. Из чего состоит паутина и какими свойствами она обладает?
Как паутина может собирать воду
Естественные тончайшие сети способны выдержать не только вес паука, но и его добычи, которая может быть многократно тяжелее. Американские учёные, работающие в Вашингтонском университете, сообщили, что им удалось создать шёлковую синтетическую паутину. Таким образом, они уверены, что уже очень скоро появится настоящая суперсила. Целые десятилетия инженеры не прекращали свои попытки по созданию некоего синтетического имитатора.
Он должен был формировать паутинные шёлковые нити из дрожжей, козьего молока или же генетически модифицированных бактерий.
Исследователи использовали проточную методику сборки. Её суть заключается в том, что дистиллированная вода течет в крайне узких протоках, шириной всего лишь 1 мм. Течение помогает CNF выстраиваться в правильном направлении и самоорганизовываться в плотно упакованные пучки. Полученный материал является прочным, жестким, легким.
Также, технологию легко масштабировать для практического использования. Кроме того, это самый прочный биоматериал, полученный на сегодня. Созданные здесь бионические наноцеллюлозные волокна в восемь раз более прочные, чем натуральные шелковые паутины пауков-драглайнов.
Альфа-аланин Глютаминовой кислоты В общем, не будучи профессиональным химиком или хотя бы отличником по данной дисциплине, сложно представить себе, что это за вещества. Хотелось бы отметить только то, что они входят в состав некоторых высокопрочных клеев и лакокрасочных покрытий. Также они применяются в текстильной промышленности. Виды волокон Различают также следующие виды волокон: Липкие предназначены для ловли добычи Крепкие поддерживают перекладины, по которым передвигается паук и которые не липнут Для коконов предназначены для яиц.
В паутине сочетаются оба этих свойства. И аналогов этому материалу нет в природе. Если сравнивать с искусственными полимерами, то есть кевлар, из которого делают бронежилеты.
И все равно паутина превосходит его по этим свойствам.
Петербургские ученые придумали материал из паутины тигровых пауков
Исследователи разработали ионную паутину, которая может захватывать объекты в 68 раз тяжелее собственной массы и самоочищаться. В зависимости от типа используемых желез паук производит около 7 разновидностей волокон различного химического состава, из чего и сплетает структурные части паутины. Чтобы разобраться, учёные тщательно изучили паутину и в дальнейшем даже создали искусственный аналог, который также обладал выдающимися "самонатягивающимися" свойствами. Паутина удивительно прочна — только недавно люди научились делать нити, прочностью превышающие паутину.
Структура, состав и виды паутины
В середине каждой площадки торчит очень тонкая паутинная трубочка с отверстием протока паутинной железы на вершине рис. Общее количество крибеллярных паутинных трубочек обычно очень велико и, например, у Dictyna arundlnacea достигает 600, а у Stegodyphus Uneatus — даже 9600. Самцы многих видов, однако, отличаются редукцией крибеллярного аппарата. С каждой трубочкой связана своя маленькая паутинная железа; число крибеллярных желез, таким образом, очень велико.
Выделяя крибеллярный шелк, паук энергично расчесывает его каламиструмом одной ноги иногда при помощи другой , совершая ею ряд быстрых повторяющихся движений. Две или четыре осевые нити окружаются довольно широкой слизистой муфтой, или оболочкой. В нее погружена еще одна закрученная в многочисленные петли нить.
Такого рода слизистая паутина образует ловчие сети, которые имеют весьма характерный синеватый оттенок. Uloborus и Hyptiotes строят геометрически правильные тенета см. У других Cribellatae она располагается более или менее неправильно.
Нередко извитая крибеллярная нить внутри шнура видна простым глазом Filistata, Zoropsis. Значение ее, вероятно, чисто опорное и сводится к поддерживанию слизистой оболочки — муфты, которая обычно сильно вытянута и имеет цилиндрическую форму. Если бы извитой нити не было, то муфта распалась бы на мелкие капельки.
Видимо, слизистые шнуры Cribellatae отвечают клейким спиральным нитям Araneus, усовершенствованием которых они как бы являются. Капельки клейкого слизистого секрета на нитях Araneus недолговечны и хуже обеспечивают приклеивание и запутывание добычи. У Cribellatae, напротив, тенета сохраняются очень долго, а клейкость их очень велика.
Наблюдая Dictyna uncinata, прядущую ловчие нити, нетрудно убедиться, что осевые нити выделяются паутинными бородавками, а их слизистый клейкий футляр — через крибеллярную пластинку Спасский, 1958. Крибеллярная ловчая пряжа Eresus niger имеет характер клейкого «войлока» розовато-сиреневого цвета Сычевская, 1954.
Затем этот разделенный ген собрался уже непосредственно в геноме бактерии и изменил ее свойства и возможности. Космическая паутина С новой методологией ученым удалось произвести всего два грамма паутины на литр модифицированных бактерий. Это совсем не много, учитывая огромное количество задействованных бактерий, однако ученые отмечают, что даже эти результаты значительно лучше предыдущих попыток массового производства паутины, кроме того, они все еще работают над оптимизацией процесса.
Последовательности на втором уровне складываются в нечто вроде «кассет» уникальные варианты мотивов, повторяемых от двух до четырех раз , а на их основе на третьем уровне ученые выделили целые ансамблевые повторы. Такая трехуровневая организация белков паутины с повторяющимися элементами оказывается тесно связанной с функцией разных типов нитей. То есть на первичном уровне все спидроины довольно одинаковы, и это один из их главных признаков. Однако структуры второго порядка — «кассеты» — уже намного более уникальны. Именно эти «кассеты» в большей степени обуславливали функциональную специфичность белка, чем структуры первого порядка. Как выяснили ученые, в основе создания различных типов паутины лежит явление альтернативного сплайсинга — формирование разных видов белка на основе одного и того же гена. Можно сравнить это с изготовлением бутерброда из сыра, масла, салата, хлеба и ветчины — компоненты можно по-разному комбинировать, и из них будут получаться разные бутерброды, несмотря на одни и те же компоненты.
Сейчас ученые находятся в поиске инвестора и планируют уже к лету выйти на отечественный рынок.
Объект исследований - паутина
Целью этих работ являлось получение протеинов паутины биотехнологическим способом. Особенно интересным вопросом было то, как пауки плетут свои гнезда, в том числе и для профессора Томаса Шайбеля Thomas Scheibel. Биохимик занялся изучением химических и механических процессов, происходящих при плетении паутины. Специалист захотел найти способ технически скопировать эти процессы и достиг поставленной цели. Через два года ученые расшифровали молекулярную базу производства нитей паутины в фильере. В 2011 году ученые наконец смогли продемонстрировать механизмы, за счет которых обеспечивается очень высокая жесткость паутины паука. Первая в мире искусственная паутина была представлена в 2013 году и получила название Biosteel.
Волокна Biosteel получаются в результате процесса прядения.
Материал получил название Biosteel. Он разработан для использования при изготовлении высокотехнологичных тканей, например для сфер спорта, медицины и военной сферы. Пауки очень искусно плетут паутину. Каждый из 41 тыс. Паутина может иметь прочность большую, чем у стали, а также эластичность, сопоставимую с каучуками. Такие нити могут подвергаться рециклингу, имеют малую массу и характеризуются водонепроницаемостью даже несмотря на то, что для них характерна высокая степень обратимого водопоглощения. Пауки не подходят для разведения, а поэтому долгое время такие волокна невозможно было получать в промышленных масштабах.
Поэтому с 1980-х годов ученые пытаются интегрировать общие сведения о паутине и использовать их при разведении микроорганизмов, выращиваемых в промышленных масштабах, таких как дрожжи или бактерии.
Детали процесса попытались выяснить Марлен Андерссон Marlene Andersson и её коллеги из Института сельскохозяйственных наук в Упсале и Каролинского института. Одновременно удалось выяснить, что в паутинном аппарате по мере приближения к выходу растёт концентрация бикарбонат-ионов остатков угольной кислоты и количество СО2. Дальнейшие эксперименты подтвердили предположение о карбоангидразе как создателе «паутинного» кислотного градиента. В статье в PLoS Biology авторы работы пишут, что кислотность среды по-разному влияла на разные концы молекулы спидроина.
Если один из концов полипептидной цепи N-конец в кислой среде слипался с другими N-концами других спидроиновых молекул, и чем выше была кислотность чем ниже рН , тем стабильней была структура N-концов, то другой конец белка С-конец , наоборот, терял стабильность с понижением рН и оставался без какой-либо оформленной структуры до самого последнего момента, когда белок принимал окончательную «паутинную» структуру. То есть на разные участки одной и той же молекулы изменение химической среды действовало по-разному. Но это не всё — С-концевой конец паучьих спидроинов, как оказалось, похож на амилоидные белки, которые образуют белковые отложения в нервных клетках при нейродегенеративных болезнях синдроме Альцгеймера, например. Амилоидные белки образуют полимерные комплексы в виде длинных нитей, тяжей, оседающих в нервной ткани.
Многие виды пауков устилают паутиной стены и пол своего жилища — для них паутина служит в качестве мягкого ковра.
Водяной паук плетет паутину под водой, чтобы она удерживала пузырьки воздуха, которые он собирает под нее, создавая себе запас для дыхания. Паутина для него одновременно и кладовочка и сеть для своеобразного воздушного шара. Самки пауков плетут из паутины коконы и откладывают в них яйца, из которых потом вылупляются паучата. Для них паутина это колыбелька. А для многих паучат паутина — это парашютик.
Если приглядеться, то он может увидеть, что за кончик каждой держится крохотный паучок. Это только что вылупившиеся паучата расселяются из своего гнезда. Ведь за один раз их появляется на свет у разных видов от десятка до сотни, поэтому им тесно жить всем вместе. Вот паучата и используют паутинку как парашют, чтобы ветер отнес их в дальние края. Такие сети в основном плетут разные виды пауков-крестовиков.
Паук-крестовик на паутине. Фото из Википедии Как же они плетут паутину так, что их нити протягиваются между опорами? Иногда даже на значительное расстояние. Вы замечали, что в лесу паутина, бывает, натянута поперек тропинки, крепясь за деревья на противоположных ее сторонах? Делают они это следующим образом.
Паук выпускает длинную нить. При благоприятном стечении обстоятельств, воздушный поток подхватывает эту паутинку, и она зацепляется за ветки близлежащего дерева 1-2. А дальше все просто и волшебно: перебравшись на середину этой вспомогательной нити, паук сплетает еще одну свободно висящую нить, потом перебирается на ее середину и, свисая вертикально вниз, прядет еще одну паутинку, пока не достигнет какой-нибудь опоры 3. Так получается основа под каркас в виде буквы Y. Знает ли малыш эту букву английского алфавита?
На какую русскую букву она похожа? Дальше начинается колдовство: паук соединяет точку пересечения паутинки еще несколькими радиусами 4. И на них он плетет вспомогательную спираль, двигаясь из центра 5. Пока все нити, которые он сплел, сделаны из нелипкой паутины. Кстати, в этом и секрет того, что сами пауки никогда не прилипают на свою сеть — они бегают только по этим нитям, лежащим в основе паутины.
А, дойдя до края, он начинает плести вторую спираль от края к середине уже с использованием липкой паутины 6. Как паук плетет паутину Видите, как сложно?
Из чего сделана паутина?
Паутина позволяет пауку ловить добычу без необходимости тратить энергию на то, чтобы догонять ее, что делает ее эффективным методом сбора пищи. Чтобы разобраться, учёные тщательно изучили паутину и в дальнейшем даже создали искусственный аналог, который также обладал выдающимися "самонатягивающимися" свойствами. Это вещество помогает паутине противостоять действию грибков и бактерий.
Сверхэластичный и прочный материал: ученые создали аналог паутины, на 98% состоящий из воды
Известно, что паутина состоит из белков, называемых спидроинами, которые изначально находятся в растворе, а потом как-то превращаются в твёрдую нить. Превращение происходит опять же в водном растворе то есть белки не обезвоживаются , при обычной температуре и при том довольно быстро. Что же заставляет растворённые паутинные белки превращаться в твёрдую и гибкую нить? Спидроины — белки довольно крупные, состоящие в среднем из 3 500 аминокислот, большей частью организованных в повторяющиеся последовательности. Наиболее важными для создания паутинной нити являются аминокислоты на концах полипептидной цепи, и у разных пауков концевые последовательности спидроинов сходны между собой. Образуя нить, молекулы белков меняют пространственную структуру. Происходит это под влиянием градиента рН в паутинных железах пауков: в одном их конце кислотность выше, чем в другом, и в какой-то точке перепад рН заставляет спидроины приобретать особо прочную укладку. Детали процесса попытались выяснить Марлен Андерссон Marlene Andersson и её коллеги из Института сельскохозяйственных наук в Упсале и Каролинского института.
Их функции сводятся к защите паутины от грибков и бактерий и, вероятно, созданию условий для образования самой нити в железах. Отличительная особенность паутины — экологичность.
Она состоит из легко усваиваемых природной средой веществ и не вредит этой среде. В этом отношении паутина пока не имеет аналогов, созданных руками человека. Паук может выделять до семи разных по строению и свойствам нитей: одни — для ловчих «сетей», другие — для собственного перемещения, третьи — для сигнализации и т. Почти все эти нити могли бы найти широкое применение в промышленности и быту, если бы удалось наладить их широкое производство. Однако «приручить» пауков, как тутовых шелкопрядов, организовать своеобразные паучьи фермы вряд ли возможно: агрессивные привычки пауков и черты единоличника в их характере вряд ли позволят это сделать. А для производства всего 1 м ткани из паутины требуется «работа» более 400 пауков. Можно ли воспроизвести химические процессы, проходящие в теле пауков, и скопировать природный материал? Ученые и инженеры уже довольно давно разработали технологию кевлара — арамидного волокна: получаемого в промышленных масштабах и приближающегося по свойствам к паутине. Волокна из кевлара в пять раз слабее паутины, но все же настолько прочны, что их используют для изготовления легких пуленепробиваемых жилетов, защитных шлемов, перчаток, канатов и др.
Но кевлар получают в среде горячих растворов серной кислоты, в то время как пауку требуется обычная температура. Химики пока не знают, как приблизиться к таким условиям. Однако к решению материаловедческой проблемы приблизились биохимики. Сначала были выявлены и расшифрованы паучьи гены, программирующие образование нитей того или иного строения.
После взаимодействия с ними новый материал перестал светиться в синем спектре. Новую разработку планируют пустить в производство. Хирургические нити из этого материала помогут врачам оперативно выявлять появление патогенов на месте раны и вовремя останавливать развитие послеоперационной инфекции.
Поставленная на лёд или песок душ паутина снижает скорость передвижения ещё в 2,5 раза. Уменьшает уровень света , проходящего через неё. Паутина, поставленная на рельсы , не замедляет передвижения вагонетки. Паутина уменьшает урон от ТНТ , если игрок находится за или внутри неё. При попытке сдвинуть поршнем , паутина уничтожается и из неё выпадает нить. Если на паутину поставить блок песка или гравия, то он не упадёт.
Как пауки делают паутину
В будущем учёные хотят заменить паутину на более доступный материал — фиброин шелкопряда. По прочности паутина близка к нейлону и значительно прочнее сходного с ней по составу секрета насекомых (например, гусениц тутового шелкопряда). Паутина, вязкое выделение паутинных желёз некоторых паукообразных, застывающее на воздухе в виде нитей. Созданные из нее паутины бывают разных видов и разного назначения, некоторые, например, служат для пауков убежищами. О том, из чего состоит (сделана) паутина, а также какова толщина, прочность и состав нити.
Петербургские ученые придумали материал из паутины тигровых пауков
В лаборатории ученым удалось не просто заставить бактерии производить паутину, но и сделать эту паутину прочнее. Среди ученых далеко не новость, что паутина состоит из нановолокон. — Вообще, паутина — очень перспективный природный материал — полимер, который сочетает в себе превосходные механические и биологические свойства.
Откуда пауки берут паутину?
Ученые из Тунхайского университета Тайвань решили выяснить, в чем заключается секрет ловчих сетей пауков. Ранее ученые предполагали, что паутина содержит...
Последняя в покое лежит на одном, уровне с поверхностью брюшка, но наклоняется в сторону паутинных бородавок во время прядения паутины. Поверхность ее разделена тонкими ребрышками на сотни маленьких площадок, или полей. В середине каждой площадки торчит очень тонкая паутинная трубочка с отверстием протока паутинной железы на вершине рис.
Общее количество крибеллярных паутинных трубочек обычно очень велико и, например, у Dictyna arundlnacea достигает 600, а у Stegodyphus Uneatus — даже 9600. Самцы многих видов, однако, отличаются редукцией крибеллярного аппарата. С каждой трубочкой связана своя маленькая паутинная железа; число крибеллярных желез, таким образом, очень велико. Выделяя крибеллярный шелк, паук энергично расчесывает его каламиструмом одной ноги иногда при помощи другой , совершая ею ряд быстрых повторяющихся движений. Две или четыре осевые нити окружаются довольно широкой слизистой муфтой, или оболочкой.
В нее погружена еще одна закрученная в многочисленные петли нить. Такого рода слизистая паутина образует ловчие сети, которые имеют весьма характерный синеватый оттенок. Uloborus и Hyptiotes строят геометрически правильные тенета см. У других Cribellatae она располагается более или менее неправильно. Нередко извитая крибеллярная нить внутри шнура видна простым глазом Filistata, Zoropsis.
Значение ее, вероятно, чисто опорное и сводится к поддерживанию слизистой оболочки — муфты, которая обычно сильно вытянута и имеет цилиндрическую форму. Если бы извитой нити не было, то муфта распалась бы на мелкие капельки. Видимо, слизистые шнуры Cribellatae отвечают клейким спиральным нитям Araneus, усовершенствованием которых они как бы являются. Капельки клейкого слизистого секрета на нитях Araneus недолговечны и хуже обеспечивают приклеивание и запутывание добычи. У Cribellatae, напротив, тенета сохраняются очень долго, а клейкость их очень велика.
В статье в PLoS Biology авторы работы пишут, что кислотность среды по-разному влияла на разные концы молекулы спидроина. Если один из концов полипептидной цепи N-конец в кислой среде слипался с другими N-концами других спидроиновых молекул, и чем выше была кислотность чем ниже рН , тем стабильней была структура N-концов, то другой конец белка С-конец , наоборот, терял стабильность с понижением рН и оставался без какой-либо оформленной структуры до самого последнего момента, когда белок принимал окончательную «паутинную» структуру. То есть на разные участки одной и той же молекулы изменение химической среды действовало по-разному. Но это не всё — С-концевой конец паучьих спидроинов, как оказалось, похож на амилоидные белки, которые образуют белковые отложения в нервных клетках при нейродегенеративных болезнях синдроме Альцгеймера, например. Амилоидные белки образуют полимерные комплексы в виде длинных нитей, тяжей, оседающих в нервной ткани. Очевидно, в случае паутины механизм в чём схож: неструктурированный конец спидроина нужен, чтобы молекулы белков быстро слипались в нить. Однако, если бы молекулы спидроинов слипались, как им вздумается, то паутинной нити не получалось бы. Чтобы каждая молекула знала своё место, существует N-конец, который по мере возрастания кислотности только сильнее стабилизируется и крепче держится за соседние молекулы.
Но этим занимаются далеко не все пауки, а только некоторые подвиды, так называемые аранеоморфные пауки. Добыча в такие «расписные узоры» попадается чаще.
Прядильный аппарат паука На рисунке ниже представлен прядильный аппарат паука-крестовика, на котором наглядно представлено как пауки плетут паутину. На паутинных бородавках 1 , которые находятся на брюшке снизу расположены трубочки 2 , предназначенные для подачи паутины.
Российские ученые сделали из паутины нити для медицинских швов
В зависимости от типа используемых желез паук производит около 7 разновидностей волокон различного химического состава, из чего и сплетает структурные части паутины. Паутина, или паучий шелк – это один из изумляющих примеров материалов, создаваемых природой и проявляющих исключительные физические свойства. Ученые отметили, что в химическом составе паутины есть глобулярные клубочки, которые богаты аминокислотами. Белки на основе паутины стали основой уникального крема, разработанного российским стартапом, повышает регенеративные свойства кремов 26.02.2023, Sputnik Казахстан. Белки на основе паутины стали основой уникального крема, разработанного российским стартапом, повышает регенеративные свойства кремов 26.02.2023, Sputnik Казахстан.